定向钻进
定向钻进技术在矿井探放水孔中的运用
定向钻进技术在矿井探放水孔中的运用【摘要】矿井探放水孔是矿井工程中非常重要的一环，而定向钻进技术的应用为矿井探放水孔的开发提供了新的解决方案。
本文首先介绍了矿井探放水孔在矿井工程中的重要性，以及定向钻进技术的基本概念。
接着详细阐述了定向钻进技术在矿井探放水孔中的原理和优势，以及一些具体的应用案例。
随后展望了定向钻进技术在矿井探放水孔领域的发展趋势和未来展望。
最后总结了定向钻进技术对矿井探放水孔的重要意义，并展望了其在未来的应用前景，为矿井探放水孔的发展带来了新机遇。
通过本文的研究，定向钻进技术的应用为矿井工程的发展带来了更多可能性，对于提高矿井工程的效率和安全性具有重要的意义。
【关键词】关键词：定向钻进技术、矿井探放水孔、原理、优势、应用案例、发展趋势、未来展望、意义、应用前景、新机遇1. 引言1.1 矿井探放水孔的重要性矿井探放水孔在矿业生产中扮演着重要的角色，它们不仅可以有效排水矿井中的积水，保证生产的正常进行，还可以降低矿井工作面的地压，提高工作面的安全性。
在煤矿生产中，地下煤层逐渐拱起形成龙背现象，当矿井往前推进时，煤层便会发生拱起，造成地压增大，导致矿井的顶板失稳，甚至发生顶板事故。
而通过定向钻进技术在矿井探放水孔中进行排水，可以有效减轻煤层和顶板的压力，改善矿井的工作环境。
矿井探放水孔还可以用于防治矿井火灾和瓦斯爆炸，在事故发生时，可以迅速排除危险，保障矿工的生命安全。
矿井探放水孔的重要性不言而喻，它们是矿井安全生产的基础设施，对于矿井的生产和安全起着至关重要的作用。
1.2 定向钻进技术的介绍定向钻进技术是一种通过控制钻孔的方向和角度来实现指定目标的钻井技术。
与传统直钻相比，定向钻进技术具有更高的灵活性和精准度，可以更好地满足复杂地质条件下的钻井需求。
定向钻进技术主要包括旋转钻进、偏移钻进和转向钻进等方式，通过运用不同的钻井工具和控制系统来实现不同的钻井效果。
定向钻进技术的核心是定向井眼工具，它可以通过操纵井下电脑系统，实时监控井下情况，并根据需要进行调整，确保钻孔按照设计方向和轨迹前进。
3-煤矿井下定向钻孔轨迹设计解析
二、定向钻孔的类型 （一）按施工技术方法分类
1 、自然弯曲定向孔。利用钻孔在一定地质条件 下的自然弯曲规律设计钻孔轴线，通过移动孔位或 改变开孔倾角、方位角，采用常规钻进技术工艺， 必要时利用孔斜控制理论辅以一般的增斜、减斜措 施，达到基本按设计的钻孔轴线钻达目的层的钻孔。 自然弯曲定向孔又称初级定向孔。 2、人工弯曲定向孔。采用人工造斜工具与技术 强制进行人工弯曲，并克服钻孔自然弯曲的影响， 或者利用钻孔自然弯曲规律与人工造斜工具强制进 行人工弯曲相结合，使钻孔按设计轨迹钻达目的层 的钻孔。又称受控定向孔。
钻孔主设计方位角确定
• 钻孔主设计方位角根据矿区地质图与巷道走向等 确定，便于左右偏差及垂深的计算，一般设定煤 矿井下定向钻孔的主延伸方向为钻孔主设计方位 角，从而确定钻孔轨迹的空间位置。
钻场设计坐标系的确定
• 在过开孔点的水平面内，以开孔点为原点，X轴正向指向钻 孔主设计方位，顺时针旋转90°为Y轴正方向，Z轴正方向垂 直指向上，即符合左手螺旋法则。 • 钻孔设计坐标系内，定向钻孔轴线上任一测点在Z轴上投影
三、钻孔轴线及相关参数
（二）确定钻孔轴线空间位置的几何参数
当钻孔弯曲时，用弯曲强度或曲率、曲率半径来表征钻孔 弯曲的强烈程度。
7、弯曲强度：钻孔弯曲强度是指钻孔轴线单位长度上倾角
或方位角变化的度数。 当钻孔轴线只有倾角变化时,用倾角弯曲强度表示， 当钻孔轴线只有方位角变化时，用方位角弯曲强度表示， 当钻孔轴线既有倾角变化，又有方位角变化时，用全弯曲
二、定向钻孔的类型
（三）按钻孔孔底结构分类 1、单底定向孔。只有一个主干孔的定向孔。 2、多底定向孔。主干孔(首先完成的钻孔)钻进 后，再从主干孔内开出其他分支孔的定向孔。它又分 一级和多级分支定向孔。
煤矿专用定向钻机定向钻进技术与装备
2.定向钻机系列简介——钻机
（4）ZYWL-4000D定向钻机（经济型）
13000钻机优势
岩石钻孔深度 定向钻孔直径 孔底马达转矩
钻杆直径 给进/起拔力
最大转矩 电机功率
≥500m
≥800m
提高钻孔效率，降低孔内事故
96mm
120mm
提高钻孔瓦斯抽放效率
450N.m
800N.m
提高了钻机岩石钻进效率
73mm 160kN 6000N.m
89mm 280kN 13000N.m
ZYWL-4000D定向钻机（标准型）
2.定向钻机系列简介——钻机
（3）ZYWL-4000D定向钻机（标准型）
项目
钻进深度 开孔直径 终孔直径 钻杆直径 额定输出转速 额定输出扭矩 给进/起拔力 给进行程 正常给进速度 调斜角度 制动扭矩 爬坡能力 电机功率
外形尺寸
整机重量
单位
m mm mm mm r/min N.m kN mm m/min ° N.m ° kW
为降低钻机成本，对普通履带式钻机的进行定向化改进，设计了经济型 定向钻机，钻机结构尺寸进一步缩小，开孔角度调斜范围进一步扩大，性价 比大幅提高。可配备履带式泵车（进口）或底座式泥浆泵（国产）。
ZYWL-4000D定向钻机（经济型）
履带式泵车（进口泵）
国产泥浆泵
2.定向钻机系列简介——钻机
（4）ZYWL-4000D定向钻机（经济型）
定向井定向钻进钻压确定方法
定向井定向钻进钻压确定方法定向井是通过利用特殊的井下工具，使钻头沿着设定的轨道钻达预定目标的一种区别与直井的井型。
作为一种相对复杂的井型，其参数包括井斜、方位、垂深、水平位移、造斜点、狗腿度等，它可以大幅提高油气产量，降低开采成本，使油气资源得以更经济、有效的开发。
目前使用最普遍的井下定向工具为螺杆钻具，螺杆钻具具有转速稳定、过载能力好等特点，在定向井钻井中配合使用带有弯接头的动力钻具，可以有效的提高造斜能力和定向井钻井速度。
螺杆钻具属于容积式（Positive Displacement Motor）井底马达，其工作动力来自钻具进出口液体流动压差做功，带动内部转子旋转，并通过万向轴和传动轴将扭矩和转速传递到钻头上，实现钻进的目的。
螺杆钻具的结构特征。
螺杆钻具基本结构自远钻头至近钻头分为旁通总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成。
旁通总成在起下钻时使环空和钻具内连通，降低下钻时的阻力和起钻时钻具内的液面高度，钻进时在高速钻井液带动下关闭而避免水功率的损失。
马达总成是螺杆钻具的动力源，由定子和转子组成，定子和转子在绕轴线的左旋螺杆上有一些列啮合点，这些啮合点构成一个密封腔，随着螺杆在转动，密封腔也向下移动并最后将能量转换完的低压泥浆排出马达。
由于螺杆钻具一般都具有一定弯度，万向轴总成就是把马达转子工作时的平面行星运动转化为为传动轴额定轴转动，同时将马达的工作扭矩传递给传动轴和钻头；传动轴总成是由壳体、传动轴及各种轴承组成，一方面承受轴向变动载荷，另一方面保证传动轴的正常工作位置。
螺杆钻具工作理论计算。
由于螺杆钻具属于容积式机械钻具，根据水力学原理，其输出功率为排量与压差的乘积，即：式中：—动力钻具理论输出功率，kw—泵排量，L/s—动力钻具压降，MPa根据动力学理论及能量守恒定律，动力钻具输出功率等于钻头上扭矩功率，钻头上扭矩功率为钻头扭矩与钻头转速的乘积，于是可得出如下关系式中：—螺杆钻具理论扭矩N.m—钻头理论角速度Radius/s根据螺杆钻具的容积转换关系，其理论转速与排量关系为式中：—螺杆钻具理论转速R/Sq—螺杆钻具每转排量L/R螺杆钻具转动角速度为通过三式联解：得马达理论扭矩螺杆钻具实际工作分析。
煤矿井下随钻测量定向钻进技术
1.定向钻进技术简介
（3）煤矿井下定向钻进技术发展历程（国外发展）
定向钻进技术应用于煤矿井下起步于20世纪六七十年代美、 德、英等西方发达国家，初期主要是移植在石油钻井中成功 应用的稳定组合钻具。
进入 20世纪90年代以后，螺杆钻具得到快速发展。美国 用螺杆钻具和定向钻进监测仪器钻成1432.56 m 的瓦斯抽采 孔。澳大利亚在煤质较硬的稳定煤层中采用螺杆钻具、导向 工具钻进时，孔深可达1000 m 以上，并进行多个分支孔施工； 在易发生坍塌、掉块等事故的复杂地层使用普通回转和螺杆 钻具相结合的钻进方法，孔深也达到400~700 m。
与传统的回转钻进不同，螺杆马达带动钻头旋转破碎岩 石时，整个钻杆柱和螺杆钻具的外壳（包括造斜件）不旋 转，所以造斜件弯曲的方向即是钻孔将要弯曲的方向。
常规钻进 ➢ 钻孔深度有限 ➢ 钻孔数量多 ➢ 劳动强度大 ➢ 施工周期长 ➢ 封孔质量差
定向钻进 ➢ 轨迹精确控制 ➢ 有效距离长 ➢ 多分支孔 ➢ 钻进效率高 ➢ 一孔多用 ➢ 集中抽采
1.定向钻进技术简介
术自 2008 年试验成功以来， 已在国内30 多个矿井进行推广应用，在硬煤层钻进中最大 主孔孔深 1212 m，最大分支孔孔深915 m，累计施工钻孔 进尺达数百万米。
从此之后，中煤科工集团重庆研究院、沈阳北方交通重 工集团先后进行研究并生产出同类产品。
煤矿井下定向钻进技术培训系列
1.煤矿井下随钻测量定向钻进技术
1. 定向钻进技术简介 2. 定向钻进技术与装备 3. 定向钻进技术的应用 4.研究与发展方向
1.定向钻进技术简介
（1）基本概念
近水平定向钻进（HDD）技术是指利用钻孔自然弯曲规律 或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预 定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或 由直变弯。
8第八篇 定向钻进
定向孔身设计的原则：
1 充分掌握原始资料：地质资料；地形；已完 成钻 孔的档案资料；以往钻孔的测斜资料等； 2 了解施工目的 3 尽量利用自然造斜规律，减少人工造斜工作量； 4 在考虑造斜点或分支点、弯曲强度时应考虑到施 工的方便性和安全性； 5、注重经济效益。
重要的概念
钻孔空间轨迹三要素 钻孔深度、钻孔顶角、钻孔方位角。 钻孔空间坐标与三要素的关系
设备及工具条件:
钻机：GZ-2000；TSJ-2000。 水泵：3NB-1000；NB8-600；TBW-1200/7B； 压力：5～32MPa。 动力功率:120-800HP 钻塔：27.5m/A型塔(750kN)。
螺杆钻:5LZ165-7Y(4级)； 单点照相测斜仪； 1.75°、2°弯接头， Ф214mm稳定器。
技术效果
(1)在采用石油大泵施工丛式井的基础上，结合我们自身的实 际情况，因地制宜，采用TBW-1200/7B两台并泵施工丛 式井，发展到现在的TBW-850/5两台并泵，目前正在采用 单台TBW-1200/7B施工丛式井，为盘活设备做了有益的 尝试。 (2)从初期采用YSJ-2000施工丛式井的基础上逐年采用TSJ1000施工丛式井，并且取得较好的效果。 (3)首次在TSJ-1000钻机采用127DP、159DC钻进，在机具 配置上做了有益的尝试。 (4)反扭矩控制方法从最复杂的转盘控制到现在采用闸带控制。 (5)实现了高压喷射钻进。在石油大泵的基础上采用了高压喷 射钻进，压力达到6～8MPa，效率提高了25％。 (6)大钻具的事故预防及处理得到极大的改进。 首次将丛式井引人煤层气施工。已完成4个井组施工， 节约了土地占用和管线铺设为业主节约了开采成本。
主要技术要求
(1)311井径、下244.5表层套管，封固良好。215.9 井径、下139.7油层套管完井。 (2)定向井井身：造斜段全角变化率Gm连续三点不 得大于16°/100m；稳斜段，Gm≤6°／l00m； 耙心半径小于等于20m。井径规则，不得出现键 槽和狗腿，煤层部位井径扩大率小于等于10％。
定向钻进原理与应
地质勘探中对定向钻进技术的定义是指利用钻孔自然弯曲规律或采用 人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。
国外有文献认为是为了钻达到一个预定的地下目标，使井眼在特定方 向偏斜的工艺和科学。
煤矿井下对定向钻进技术的定义：是指利用钻孔自然弯曲规律或采用 专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方 法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。
垂直层理
编辑课件
第一节 定向钻孔的弯曲机理
定向钻进原理与应用
Deflection&Logging
A . 钻头垂直于层面，钻孔为圆形，不发生弯曲；
B . 钻头与地层面斜交，钻头轴线力图向垂直于地层层面方向偏斜，钻孔呈 椭圆形；
C . 钻头平行于层面硬度较小，孔壁易岩石易破碎，形成的钻孔较大，孔壁 间隙大，钻头稳定性差，钻孔容易弯曲。
定向钻进原理与应用
Deflection&Logging
4、避开地表障碍物。勘探和开发障碍物下方的油气田。 5、纠正已斜的井眼或绕过井内堕落物而进行侧钻。（g） 6、打定向井探采盐丘突起下部的油气层。含油构造有时与盐丘构造共 生，部分盐丘可能直接覆盖在油藏上面，直井钻遇盐层可能导至冲蚀、钻 井液漏失和腐蚀等问题(d)。
1 P
2
钻头作用力方向偏离钻孔轴线示意图
FA A
vc vA
P
vp c
钻头轴向和径向同时受力示意图
2021/8/17
编辑课件
第二节 定向钻孔的弯曲条件
定向钻进原理与应用
Deflection&Logging
2、空间条件
非开挖(定向钻进与导向钻进)
1）在松散土层中成孔是以高压水射流和钻头的切 削作用共同完成。
带斜面的导向钻头；
孔底钻具组合
钻杆
直线钻进与曲线钻进
钻杆回转时在水射流和机 械切削的共同作用下实现 直线钻进。
在钻杆不回转状态下施压，导 向钻头斜面上受到一定的侧向 反力，钻头会沿斜面方向钻进。
2）在硬岩或含卵砾石地层中成孔主要靠钻头的切 削作用
最大给进力：40 KN 最大回拖力：80 KN
扭矩：2.2 KNm 输入功率：40 KW
给进力： 303.8 KN 回拖力：303.8 KN 扭矩：13.6 KNm 单根钻杆长：4.5 m 铺管曲率半径：70 m 功率：160 KW 钻机重：18115 Kg
给进/回拖力：800 KN 扭矩：54.2 KNm 钻机自重：38095 K g
回拖 力 （ KN ）
≤60
扭矩 转速 (KNm) （ rp
m）
≤1.0 50120
功 率 应用 （ KW ）
<50 各类入
户分支 管线
≤180 ≤250 1.37- ≤100 ≤2.7 <200 <112 一般短
2.0
距离穿
越
≤300
≤600
3.04.6
100- ≤27 500
>300 ≤1500 6.19.1
一、导向/定向钻进概述
导向钻进： 一般导向式钻进多用于浅部、短距离、软
土层中，采用水射流和鸭嘴式钻头，由步行式 导航仪实现钻头位置和钻孔轨迹测量。
适用管径：400mm以内，铺管长度为400~500m。
定向钻进
应用于长跨越孔，适用范围广，可以采用孔底马达、 或刚性钻杆带动钻头回转钻进成孔，在硬岩或砾石层中 也可施工，采用随钻方式监控钻孔轨迹，深度较浅时用 步行式导航仪。
定向钻进技术在矿井探放水孔中的运用
定向钻进技术在矿井探放水孔中的运用随着矿井开采深度的增加和矿井规模的扩大，矿井探放水孔的需求也越来越大。
而钻孔的定向钻进技术的运用，成为了现代矿井探排水技术的一个重要组成部分。
本文将探讨定向钻进技术在矿井探放水孔中的运用及其优势。
定向钻进技术，顾名思义，是指在井下使用特殊的钻探设备，以精确的方向和角度进行钻孔，以便满足特定的探水排水需求。
相较于传统的直钻技术，定向钻进技术有着许多优势，主要体现在以下几个方面：定向钻进技术能够实现高效的排水。
在矿井探放水孔中，一般需要钻设多个水平排水孔，以促进地下水的迅速排放。
传统的直钻技术在钻设多个水平孔时，需要进行多次的调整和转移，工作效率低下。
而定向钻进技术可以通过单次钻进，钻设多个水平孔，从而实现了高效率的排水。
定向钻进技术能够减少矿井开采的影响。
传统的直钻技术在进行探水排水孔的钻设时，容易受到岩层的阻碍和矿层的破坏，从而影响矿井的生产。
而定向钻进技术可以通过调整钻头的方向和角度，避开矿层和岩层，减少了对矿井开采的影响。
定向钻进技术能够提高工作安全性。
矿井的环境复杂，地质情况多变，传统的直钻技术在进行探水排水孔的钻设时，容易受到地质灾害的影响，从而影响工人的安全。
而定向钻进技术通过提前进行地质勘探，选择合适的钻孔位置和方向，降低了地质灾害的发生概率，提高了工作安全性。
定向钻进技术能够提高钻孔的准确度和可控性。
在矿井探放水孔的钻设中，钻孔的深度和角度通常有严格的要求，传统的直钻技术往往难以满足这些要求。
而定向钻进技术通过精确的控制钻头的方向和角度，可以实现对钻孔的准确控制，从而保证了钻孔的准确度和可控性。
在使用定向钻进技术进行矿井探放水孔的钻设时，需要注意以下几点：需要充分了解矿井的地质情况，选择合适的钻孔位置和方向。
矿井地质情况的了解对于钻孔的选址和定向具有重要的影响，必须进行详细的地质勘探和分析，保证钻孔的准确性和安全性。
需要合理选择和配置钻进设备。
定向钻进技术需要使用特殊的钻进设备和工具，需要根据矿井的特点和需求，合理选择和配置钻进设备，保证钻孔的顺利进行。
水平定向钻进施工方案
水平定向钻进施工方案水平定向钻进是一种现代化施工工艺，被广泛应用于城市隧道、地下管线、河底隧道等场所。
它通过钻孔设备将井眼准确地定位到目标地下位置，并实施钻进作业，以达到开挖目标的目的。
本文将针对水平定向钻进的施工方案进行详细介绍。
一、工程准备阶段1.勘察设计：按照设计任务书和施工要求，进行相关勘察设计工作，包括地层勘察、地质灾害评价、安全评估等。
2.设计方案：根据勘察结果，制定水平定向钻进的施工方案，包括孔眼布置、井口设备、钻进技术参数等。
3.整备设备：准备必要的设备和工具，包括钻机、泥浆处理设备、钻头等。
二、施工准备阶段1.现场布置：确定施工区域，并进行现场布置工作，包括搭建井口平台、准备材料等。
2.设备安装：根据设计方案，安装好钻机、泥浆处理设备等。
3.施工人员培训：对施工人员进行必要的培训，包括操作钻机、处理泥浆等。
4.安全措施：制定相应的安全措施，包括设置警示标识、设置安全防护措施等。
三、施工作业阶段1.钻眼准备：根据设计方案，布置好钻孔位置，并进行钻孔定位，确保准确地钻进目标地下位置。
2.钻机操作：操作钻机进行钻进作业，根据设计要求控制钻孔的水平度和方向。
3.泥浆处理：钻进过程中会产生大量泥浆，需要进行合理处理，保持施工现场清洁。
4.钻孔导向：根据设计要求，进行钻孔导向工作，确保钻孔准确无误。
5.钻孔测量：定期进行钻孔测量工作，确保钻孔偏差在合理范围内。
6.孔眼质量控制：定期检查钻孔质量，确保钻孔坚实、光滑。
7.钻进速度控制：根据地层情况和设计要求，控制钻进速度，避免损坏钻头和孔壁。
四、施工完工阶段1.孔眼处理：钻完孔后，对孔眼进行处理，包括清理孔眼、处理孔眼壁等。
2.施工测量：进行施工测量工作，记录钻孔的实际位置和几何参数，与设计方案进行对比。
3.施工报告：根据施工实际情况，编写施工报告，总结施工经验，提出施工建议。
五、安全控制措施1.钻孔过程中，严格遵守相关施工安全规定，严禁使用过期设备和低质量工具。
定向钻进工程施工设计
定向钻进工程施工设计一、绪论定向钻进是一种新兴的无开挖技术，利用设备通过地下管道或其他障碍物，在地下开挖隧道或管道。
定向钻进工程施工设计是指在进行定向钻进工程之前，根据工程的实际情况和要求，制定施工方案以及设计相应的工程方案。
定向钻进工程施工设计是工程的重要环节，影响着整个工程的施工进度和效果。
因此，对定向钻进工程施工设计进行深入的研究和分析，对提高工程施工质量和效率具有重要意义。
二、定向钻进工程施工设计的基本原则1. 安全原则定向钻进工程是在地下进行的，涉及地下管线和其他障碍物，因此安全是定向钻进工程施工设计的首要原则。
施工设计应充分考虑地下情况，确定合适的施工方案，保证施工过程中的安全。
2. 环保原则定向钻进工程涉及地下环境，因此环保也是施工设计的重要原则。
施工设计应考虑地下水文情况，避免对地下水资源造成污染，保护地下环境。
3. 经济原则定向钻进工程施工设计应考虑经济效益，选择合适的设备和材料，降低施工成本，提高工程效率。
4. 合理原则定向钻进工程施工设计应考虑地形地貌以及地下情况，设计施工方案应合理、科学，保证工程施工的顺利进行。
5. 高效原则定向钻进工程施工设计应注重施工效率，合理安排施工进程，提高施工效率，保证工程的顺利进行。
三、定向钻进工程施工设计的流程1. 工程勘察在进行定向钻进工程施工设计之前，需要对工程现场进行勘察，了解地形地貌和地下情况，确定施工的可行性。
2. 工程设计根据勘察结果，设计工程方案，确定施工的具体步骤和施工方案，包括设备选择、施工进程等。
3. 施工准备根据设计方案，进行施工准备工作，包括设备搬运、场地布置、材料准备等，为施工做好充分准备。
4. 施工过程根据设计方案，进行定向钻进工程施工，保证施工按照设计方案进行，保证施工过程的安全和顺利进行。
5. 施工验收定向钻进工程完成后，需要进行施工验收，检查施工质量和效果，确保工程达到设计要求。
四、定向钻进工程施工设计的关键技术1. 设备选择定向钻进工程需要选择适合的设备，包括定向钻机、钻头等，根据工程要求选择合适的设备，保证施工的顺利进行。
第八章钻孔弯曲与定向钻进
第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第二节 钻孔空间位置要素
钻孔在空间的轨迹基本要 素是顶角、方位角和孔深。 如图所示，在三维坐标系 中原点O代表开孔点，x 轴代表南北方向，y轴代 表东西方向，z轴代表向 下方向。OABC是钻孔的 空间轨迹。
工程钻探学课件
第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第二节 钻孔空ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位置要素 其基本要素为：
工程钻探学课件
第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 3、钻探操作上的原因 主要指操作不一致，给压不均匀，忽大忽小。遇有变层， 如由软变硬时，没有及时采取减压钻进，如由硬变软时， 没有及时提动钻具，采取重新扫孔钻进。钻机转速选用不 当，给水量掌握不好以及钢粒钻进时投砂量不合理等。
工程钻探学课件
第五节 定向钻进
一、定向钻孔分类 按孔身轨迹的不同，可分为： 2、空间弯曲定向钻孔 包括孔身轨迹某段在某一曲面内既有顶角变化又有方位角变 化的钻孔；以及顶角不变、方位角发生变化的螺旋线状钻孔。 空间弯曲定向钻孔特别适用于岩层造斜作用强烈、钻孔顶角 和方位角自然弯曲规律都很明显的矿区。另外，钻孔需要绕 过地下障碍物时，也可采用此类钻孔。
工程钻探学课件
第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 一、钻孔弯曲测量原理 1、顶角测量原理 重锤测量钻孔顶角的原理
当仪器在垂直孔内时，刻度盘上 的0°正对准弧形竖板T上的标线， 即顶角为0°；
当仪器在倾斜孔内时，弧形竖板 倾斜一个角度，此角度就是钻孔 顶角θ
工程钻探学课件
2、方位角测量原理 1）地磁场定向原理
第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念 在钻探工作中，为了达到一定的地质目标，必须根据地质 要求和施工条件，合理设计钻孔轨迹（即孔身在地下空间延 伸的路径）。但是，在施工过程中，由于种种因素的影响， 实际的钻孔轨迹往往偏离设计的钻孔轨迹。这种现象称为钻 孔偏斜或钻孔弯曲。
探讨煤矿井下定向钻进技术在井下地质勘探中的实际应用
探讨煤矿井下定向钻进技术在井下地质勘探中的实际应用煤矿井下定向钻进技术是一种通过在井下进行钻进作业的方法，以获得更多有关煤矿地质构造和煤层分布的信息。
它是井下地质勘探中的一种重要技术手段，可广泛应用于煤矿勘探、瓦斯抽放、地质灾害预测等领域。
本文将从技术原理、实际应用和发展趋势三个方面来探讨煤矿井下定向钻进技术的实际应用。
一、技术原理煤矿井下定向钻进技术是将钻杆放入钻井机中，并通过操纵钻杆的转动和推进，将钻头钻进到目标地层。
在钻进过程中，通过转动钻杆和钻头的方式，使钻孔与地面投影线呈现出一定的偏离角度。
这样可以通过在井下的测斜仪检测钻杆的角度，并通过转换器将角度转换为数字信号，从而得到钻孔的倾角和方位角。
利用这些参数，可以进一步确定煤层的分布、煤层倾角和地质构造的情况。
二、实际应用煤矿井下定向钻进技术在煤矿勘探中有着广泛的应用。
首先，它可以提供更精确的煤层分布和倾角信息。
通过钻进的方式，可以在井下获取到更多的煤层样本，并结合倾角测量数据，可以绘制出煤层的地质构造图，为煤矿的开采提供了重要的参考依据。
其次，煤矿井下定向钻进技术还可以用于瓦斯抽放。
在煤层瓦斯抽放过程中，钻进技术可以通过对煤层的倾角和瓦斯含量的测量，确定瓦斯的开采方案和工艺参数，从而提高瓦斯抽放的效率和安全性。
此外，煤矿井下定向钻进技术还可以用于地质灾害的预测和评估。
通过在井下进行钻进，可以获取到更多的地质信息，从而可以提前发现地质隐患，采取相应的措施进行处理，减少地质灾害的发生。
三、发展趋势随着煤矿井下定向钻进技术的不断发展，其在实际应用中面临着一些挑战和机遇。
首先，技术的可靠性和测量精度是目前亟需解决的问题。
在井下环境中进行钻进和测量，受到地质条件和设备限制，对技术要求较高。
因此，需要进一步研发和改进测量设备，提高测量的精度和准确性。
其次，井下定向钻进技术与其他测井技术的配合也是未来发展的重点。
通过将定向钻进技术与其他地质测井技术相结合，可以获取到更多的地质信息，并加强对矿井地质结构和煤层分布的认识。
定向钻进 第一章 定向钻孔轨迹设计
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （1）直线—曲线形式 上直下弯状
开孔施工直线段
曲线段，利用自然造斜或人工造斜钻达靶区。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
1、按施工技术和方法不同分类 （2）受控定向孔 controlled directional hole （人工造斜定向孔 ）
特点：采用人工造斜手段和工艺措施，钻达目的层的钻孔， 需采用专门的定向造斜工具和配套技术。
适应于岩层无造斜作用或造斜作用不够， 以及克服造斜影响的矿区。
i L LB LA
（º/m）
cos1 (cos A cos B sin A sin B cos )
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
四、钻孔轴线遇层角 angle of penetration
钻孔轴线靶点（见矿点）的切线与其在矿层面上的投影所夹的锐角。
地质要求钻孔遇层角一般不小于30º。
钻孔轴线各点的顶角、方位角、孔深 见矿点（靶点）的垂深和水平位移 曲线段的曲率和弯曲强度
钻孔轴线的遇层角
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
一、空间要素
1、基本要素 定向钻孔轴线各点的顶角、方位角和孔深称为基本要素。
在三维坐标系中，原点O代表开孔点； X轴代表南北方向； Y轴代表东西方向； Z轴指地一下方向。
弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。 是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。
1、顶角弯强 i drift deviation intensity 单位孔身长度上顶角的变化量。 表征钻孔顶角弯曲的强烈程度。
水平定向钻进和导向钻进施工法
水平定向钻进和导向钻进施工法水平定向钻进和导向钻进施工法水平定向钻进施工法最初是从事又钻进技术引入的，主要用于穿越河流、湖泊、建筑物等障碍物，铺设大口径、长距离的石油和天然气管道。
定向钻进施工时，按设计的钻孔轨迹，于扩空钻头的代铺设管线，在回拉扩空的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。
有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小，可先专门进行一次或多次扩孔后再回拉管线。
在定向钻中，大多数工作是通过回转钻杆柱来完成的，钻机的扭矩与轴向给进力和回拉力同样重要。
水平定向钻进铺管在美国使用最多。
美国按照钻机铺设管线的直径和长度能力，将用于非开挖铺管的定向钻机分为三类，即小型(Mini)、中型(Midi)和大型(Maxi)。
各类设备的能力和应用范围见表4-1。
大致和定向钻进相同，即先钻一个小口径的先导孔，随后边扩孔边回拉铺设地下管线。
由于小型钻机的钻孔轨迹量测、控制技术与大中型钻机的不一样。
因此，国际上通用的分类方法将采用小型定向钻及施工的方法称之为“导向钻进”。
“导向钻进”一般是指用于铺设小治警、长度较短的管线；而将采用大中型定向钻及施工的方法称之为“定向钻进”。
对于大型工程，直径较大（有些直径大于1m）的管线施工则属于“定向钻进”这一范畴，如穿越较大的河流、运河和高速公路施工。
水平定向钻进河导向钻进技术在铺设新管线中所占有的市场比例在不断的增加。
最近几年，设备的能力得到了改进，非开挖铺设新馆显得有点也越来越被广泛地重视。
非开挖施工除了明显的环境上的优点外，导向钻进的相对成本在许多应用场合也讲到开挖施工的成本一下，即是忽略干扰交通等社会成本也是如此。
水平定向钻和导向钻进的优点为：对地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺管方向，施工精度高。
定向钻进的不足之处在于对施工场地要求较大，在非粘性土层和砾石层中施工比较困难，一般是用于不含大卵石的各种地层，包括含水地层。
导向钻进不适用于砂层和砾石层，一般适用于软土层；由于受到探测器的探测深度的限制，导向钻进的深度有限。
定向钻进原理与应用
定向钻进技术也用于电力、通信等电 缆的铺设，减少对现有设施和环境的 破坏。
地下水治理
地下水监测
定向钻进技术用于监测地下水水位、水质等参数，为地下水治理提供数据支持。
污染治理
定向钻进技术可用于对地下水污染源进行定位和封堵，控制污染扩散。
考古挖掘
遗址定位
定向钻进技术用于定位和发掘古代遗址，了解古代文明和历史。
定向钻进原理与应用
目 录
• 定向钻进原理概述 • 定向钻进设备与工具 • 定向钻进技术应用 • 定向钻进技术优势与挑战 • 定向钻进工程案例分析
01 定向钻进原理概述
定向钻进定义
定向钻进是一种利用钻孔设备在地层中按照预定方向进行钻 进的施工技术。通过控制钻孔的方向和深度，实现钻孔轨迹 的精确控制，以满足特定的工程需求。
02 定向钻进设备与工具
定向钻进钻机
01
02
03
钻机类型
根据不同的地质条件和应 用需求，定向钻进钻机可 分为轻型、中型和重型。
钻机结构
定向钻进钻机由钻杆、钻 头、泥浆泵、控制系统等 组成，其中钻杆和钻头是 主要的切削工具。
钻机特点
定向钻进钻机具有结构紧 凑、操作简单、适应性强 等特点，能够在复杂的地 质条件下进行高效钻进。
定向钻进泥浆系统的主要作用是 冷却钻头、携带岩屑、稳定孔壁
和润滑钻具等。
泥浆材料
定向钻进泥浆的原材料一般为水和 膨润土，根据不同的地质条件和钻 进需求，添加适量的泥浆添加剂。
泥浆循环
定向钻进泥浆循环系统由泥浆泵、 泥浆管、水槽等组成，通过循环将 泥浆输送到钻孔中，并将岩屑带出。
定向钻进测量仪器
测量仪器类型
定向钻进广泛应用于石油、天然气、水井、地热等领域，也 可用于穿跨越河流、湖泊、高速公路等复杂地形的管道铺设 。
定向钻进名词解释
定向钻进名词解释
定向钻（Directional Drilling）是一种现代化的钻井技术，通过使用各种定向工具，钻机可以在地面上以较小的钻井平台钻出多个钻井孔。
它是将钻井孔钻入地下油气层的一种技术，可以让钻机钻出一系列钻井孔并斜向穿过地层，以达到采集更多油气资源的目的。
定向钻井技术能够准确地控制井眼的轨迹和方向，使其穿过地层的特定区域。
通过使用定向钻井技术，钻机可以在一个区域内钻出多个井眼，以最大化地利用油气田中的资源。
定向钻井技术的优点在于其能够在垂直井眼无法到达的地方进行钻探，从而大大提高了勘探和生产的效率。
此外，它还可以减少对环境的影响，因为只需要较小的钻井平台和更少的钻井孔，从而减少了对地面的破坏。
定向钻井技术已经成为当今油气勘探和生产的重要技术，它可以提高生产率和效率，同时也可以降低钻井成本和环境影响。
煤矿定向钻进长度记录
煤矿定向钻进长度记录
近日，中国煤科西安研究院在神东煤炭集团保德煤矿进行钻孔工程示范，完成了主孔深度3353米的沿煤层超长贯通定向钻孔，再次创造了我国井下定向钻进孔深新的世界纪录。
此前，该院在2019年初在保德煤矿创造了2570米超长定向钻孔的孔深世界纪录。
定向钻孔的成功实施，对促进煤层大区域瓦斯超前治理、以孔代巷工程、水害防治以及地质勘探等技术进步具有重要意义。
以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关资料或咨询专业人士。
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第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
2、按钻孔轴线不同分类 （1）直线型定向孔 孔身按直线轨迹延伸，顶角、方位角受严格控制的钻孔。 （2）平面弯曲型定向孔 孔身轨迹在某一个平面内延伸的钻孔。 （3）空间弯曲型定向孔 孔身轨迹某段在某一个曲面上延伸的钻孔。 此类钻孔适应于岩层造斜作用强烈，钻孔顶角和方位角 自然弯曲都很明显矿区。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （3）直线—曲线—曲线形式
直—弯—弯型 人工造斜分成两次或后一次 造斜利用自然造斜打目的层。
这种轨迹可获得较大的终孔顶角。
第一造斜段 第二造斜段
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
第一节 定向钻孔的空间要素
三、孔身轴线弯曲强度或曲率
弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。 是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。
i 2、方位弯强 deviation intensity of azimuth
单位孔身长度的方位角变化量。 表征钻孔方位弯曲的强烈程度。
A、B两点方位角的增量
i
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （4）直线—曲线—直线—曲线—直线形式
直—弯—直—弯—直型
主要用来施工探采结合油层的丛式井， 降斜孔段 以及特殊要求的集束孔。
直线孔段 增斜孔段 稳斜孔段
直线孔段
第一章 定向钻孔轨迹设计
第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容 一、设计的一般原则
i L LB LA
（º/m）
cos1 (cos A cos B sin A sin B cos )
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
四、钻孔轴线遇层角 angle of penetration
钻孔轴线靶点（见矿点）的切线与其在矿层面上的投影所夹的锐角。
地质要求钻孔遇层角一般不小于30º。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
3、按钻孔有无分枝分类 （1）单孔底定向孔 只有主孔而无分枝孔的定向孔。
常用于自然造斜的初级定向孔，利用小顶角开孔获得较大 的遇层角、绕开孔内障碍物、纠斜。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
主要参考书
中文期刊 探矿工程、西部探矿工程、地质 与勘探、煤田地质与勘探 国外钻井技术、石油钻采工艺、石油钻探技 术、矿大学报、地大学报、石油大学学报、 吉林大学学报等 外文期刊 Drilling Industrial Diamond Review IDR Mining Journal 有关会议论文集
二、孔身轴线形式
1、 变化； 也变化
孔身轴线为空间曲线。
2、 变化； 不变化
特例：倾斜平面内曲线。
孔身轴线为平面曲线。
3、 不变； 变化
垂直平面内曲线
孔身轴线为螺旋线。 特例：水平平面内曲线
4、 不变； 也不变
孔身轴线为直线。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
三、孔身轴线弯曲强度或曲率
定向钻进
Directional Drilling
2012年9月
本课程主要讲述内容
绪论 第一章 定向钻孔轨迹设计 第二章 定向钻孔施工工艺 第三章 定向钻井技术手段 第四章 造斜工具定向方法 第五章 定向钻孔轨迹预测
本课程主要参考书
李世忠 钻探工艺学 地质出版社 吴光琳 定向钻进原理 成都科大出版社 江天寿、周铁芳 受控定向钻探技术 地质出版社 苏义脑 井下控制工程学研究进展 石油工业出版社 苏义脑 螺杆钻具研究及应用 石油工业出版社 王亚伟等 分枝井钻井完井技术 石油工业出版社
第一章 定向钻孔轨迹设计
Байду номын сангаас
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
二、孔身轨迹形式
初级定向孔 受控定向孔
平面曲线或空间曲线
垂直平面 平面曲线 倾斜平面
水平平面
轨迹由直线段、曲线段、折线段组成。
半径单一圆弧或曲率半径不同的圆弧组成的弧线 垂直线、直线段、斜直线
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
孔深 L depth of hole 钻孔轴线延伸的长度 。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
一、空间要素
2、垂深和水平位移
垂深 H 目标点在Z轴上的投影长度。
水平位移 S 目标点在水平面上投影点与孔口距离。
靶点垂深和水平位移：把目标点改成靶点即可。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
设计轨迹
直线 曲线 直线+曲线
平面型 空间型
绪论
二、定向钻进的特点
1、定向钻进定义 采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹， 达到预定的钻探目标，叫定向钻进。
目标即靶区。
靶区的形状可以是圆形、正方形、长方形。
绪论
二、定向钻进的特点
2、定向钻进优点
（1）缩短钻探周期，节省钻探工作量； （2）确保地质质量； （3）实现一基多孔、一孔多枝，大大节省准备费用； （4）减少在复杂地层中钻进，避免重复穿过复杂地层； （5）减少控制孔斜费用； （6）多采集岩矿心，补取岩矿心。
绪论
二、定向钻进的特点
1、定向钻进定义 采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹， 达到预定的钻探目标，叫定向钻进。
技术手段
地层自然造斜规律 人工造斜工具 地层自然造斜和人工造斜工具结合
绪论
二、定向钻进的特点
1、定向钻进定义 采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹， 达到预定的钻探目标，叫定向钻进。
绪论
三、定向钻进的使用范围
2、地下条件要求
（1）勘探陡斜矿体； （2）避免重复穿过复杂地层； （3）在强造斜地层中将斜就斜； （4）矿层与围岩产状相反，必须采用人工强制措施； （5）孔深、勘探网度密。
绪论
三、定向钻进的使用范围
3、工程技术需要
（1）补取岩矿心； （2）避免孔报废，绕过孔内事故孔段； （3）增加矿心量、出水量、出油量或出气量； （4）打控井喷、灭火等救援井； （5）敷设地下电缆或管道； （6）特殊要求的注浆孔； （7）地下核爆破取样。
绪论
★定向钻井的发展情况 ★定向钻进的特点 ★定向钻进的使用范围
绪论
一、定向钻井的发展情况
1930年，美国California Huntington Beach 施工 两口深入海底的定向井；
1933年，美国California Long Beach Signal Hill 油田又打了几口定向井，开采Sunnyside Cemetery 下方的石油；定向钻进技术在美国近海油田油井 钻进中获得广泛应用；
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
一、空间要素
1、基本要素 定向钻孔轴线各点的顶角、方位角和孔深称为基本要素。
顶角 drift angle
钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向的切线与铅垂线之间的夹角。
方位角 azimuth
钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向切线水平投影与正北方向之间的 夹角，并从正北方向起按顺时针方向计算。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素 第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容 第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法 第五节 受控定向孔孔身轨迹设计方法
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
一、空间要素
定向钻孔的空间要素
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
1、按施工技术和方法不同分类 （1）初级定向孔 preliminary directional hole （自然造斜定向孔 ） 特点：常规技术和工艺钻进； 利用岩层自然造斜趋势； 移动孔口位置； 改变开孔顶角或方位角。
适应于岩层强造斜作用，孔斜趋势明显矿区。
弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。 是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。
1、顶角弯强 i drift deviation intensity 单位孔身长度上顶角的变化量。 表征钻孔顶角弯曲的强烈程度。
A、B两点顶角的增量
i
L
B
LB
A
LA
（º/m）
A、B两点弯曲孔段的长度
第一章 定向钻孔轨迹设计
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （1）直线—曲线形式 上直下弯状
开孔施工直线段
曲线段，利用自然造斜或人工造斜钻达靶区。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （2）直线—曲线—直线形式
直—弯—直型
造斜段
稳斜段 稳斜钻进到靶点是往下打直线段
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
1、按施工技术和方法不同分类 （2）受控定向孔 controlled directional hole （人工造斜定向孔 ）
特点：采用人工造斜手段和工艺措施，钻达目的层的钻孔， 需采用专门的定向造斜工具和配套技术。
适应于岩层无造斜作用或造斜作用不够， 以及克服造斜影响的矿区。
1941年，出现涡轮钻turbodrill，前苏联成功打出定向井；
50年代，丛式钻井技术大大地发展；
绪论
一、定向钻井的发展情况
60年代，海上平台定向井迅速发展，Gulf of Mexico、 North Sea 等油田勘探与开发，一个平台钻18～36口井；